(57)【要約】【課題】ニオブ酸リチウムはドライエッチング加工が困難であり、ニオブ酸リチウム基板上に簡便にリッジ型光導波路を作製する方法は確立されていなかった。本発明では上記問題点を鑑見て、ニオブ酸リチウムを薄膜化して作製したリッジ型導波路を有する光学素子を生産性良く作製する方法を提案する。【解決手段】基板５上に光導波路に対応する開口部７を有する第１の金属膜６を形成し、更にニオブ酸リチウム薄膜８・９をスパッタリング法で形成する。次に、第１の金属膜６上に形成された部分の薄膜９のみを溶液エッチングにより選択的に取り除き、前記電気光学効果を有する材料からなるリッジ構造４からなる光導波路を形成する。その後、光導波路上に緩衝膜と第２の金属膜を形成して光学素子６を製造する。エッチング溶液としてはフッ酸溶液を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、
光導波路に対応する開口部分を有する第１の金属膜を形成する工程と、
電気光学効果を有する材料による薄膜を形成する工程と、
前記薄膜の前記第１の金属膜上に形成された部分のみを取り除き、前記電気光学効果を有する材料からなるリッジ構造の光導波路を形成する工程と、
前記光導波路上に緩衝膜と第２の金属膜を形成する工程とからなる光学素子の製造方法において、
前記電気光学効果を有する材料がニオブ酸リチウムであり、
前記電気光学効果を有する材料による薄膜を形成する工程がスパッタリング法からなり、
前記金属膜上に形成された前記薄膜部分を取り除く工程がエッチング溶液によるエッチングからなり、
前記エッチング液がフッ酸溶液であることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２】
前記基板がサファイア単結晶であることを特徴とする請求項１記載の光学素子の製造方法。
【請求項３】
前記第１の金属膜がクロム、ニッケル、白金の何れかからなることを特徴とする請求項１記載の光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学素子の製造方法、特に薄膜化したニオブ酸リチウムを用いてリッジ構造の光導波路を有する光学素子を製造する方法に係わるものである。
【背景技術】
【０００２】
近年のインターネットに代表される高速・大容量の情報通信の需要の高まり対応して、光通信システムが注目されている。その中でも電気光学効果を有する基板材料を用い、その基板内に光導波路を形成した光学素子は広帯域周波数における光通信に適した光制御素子として広く知られている。
【０００３】
特に高密度波長多重化や高速通信化に適応する光制御素子としては、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料を用いた外部変調型の光変調素子が実用化されている。
【０００４】
光学素子一般では、図６のように基板表面より内側に光導波路を構成した埋め込み型導波路や図７のように基板にリッジ構造による光導波路を構成したリッジ型導波路が利用されている。埋め込み型導波路はプロトン交換法や金属拡散などにより作製され、また、リッジ型導波路はドライエッチング等のエッチング加工により作製されている。
【０００５】
特にニオブ酸リチウムに埋め込み型導波路を作製する方法としては、プロトン交換法やチタン拡散などの方法が確立されている。そのため、一般にはリッジ型導波路より埋め込み型の導波路が用いられることが多い。
【０００６】
一般に光学素子の効率の観点からは、埋め込み型導波路よりも導波路内での光の閉じ込めが強いリッジ型光導波路を用いる方が好ましい。しかし、光学素子に用いることのできるような良好なリッジ構造を作製する簡便な製造方法はいまだ確立していない。
【０００７】
これまでに試みられたリッジ型導波路の作製方法としては、基板上に光導波層を作製してそれをエッチングにより所望の部分だけ削りリッジ部分を残す形成する方法がある。このリッジ構造の形成工程の一例を図８（ａ）〜図８（ｄ）に示す。
【０００８】
まず、図８（ａ） に示すように基板１に導波層となるニオブ酸リチウム層２を成膜する。この時、基板１にはニオブ酸リチウムよりも屈折率の低い材料を用いる。ニオブ酸リチウムの成膜方法としては、化学蒸着法（ＣＶＤ）、液層エピタキシャル成長法、ゾルーゲル法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、分子ビームエピタキシー法（ＭＢＥ）などが報告されている。中でもサファイアｃ面基板に基板温度を約５００℃として高周波スパッタリング法によりニオブ酸リチウム薄膜２を形成すると、ｃ軸配向したニオブ酸リチウム単結晶が形成でき、材料中を伝搬する光の損失が小さいなど光学的性質に優れた膜が得られることが知られている（非特許文献１）。
【０００９】
次に、図８（ｂ）のようにフォトリソグラフィ法によりニオブ酸リチウム薄膜２上にレジストマスク３を形成する。ついで、ドライエッチングを行い上記レジストマスク３に覆われた部分を残してニオブ酸リチウム薄膜２をドライエッチングすると図８（ｃ）のようになる。
【００１０】
更に、レジスト除去液に浸漬することによりレジストマスク３を除去する。これらの工程により、図８（ｄ）に示すようなリッジ構造４ が形成される。
【００１１】
しかしながら、ニオブ酸リチウムはエッチング耐性の強い結晶であり、ドライエッチング法ではレジストマスクとニオブ酸リチウム薄膜のエッチング選択比がとれないため加工が困難であった。
【００１２】
このエッチング加工が困難という課題に対して、特許文献１や特許文献２のような解決方法の提案があった。これについて説明する。
【００１３】
特許文献１では、電気光学単結晶基板に鉛を過剰に有するアモルファス状の金属酸化物層を形成し、そのアモルファス状の金属酸化物層をドライエッチング法により加工しリッジ構造を形成する。その後、加熱により結晶化することでリッジ導波路を形成する。アモルファスの状態でドライエッチング加工を実施することにより、レジストマスクと被エッチング材料とのエッチング選択比を確保し、エッチング加工を容易にしている。
【００１４】
特許文献２では、図９（ａ）のように電気光学結晶基板上に開口を持つ金属膜６を形成した後に、液相エピタキシャル成長法により図９（ｂ）のように電気光学結晶薄膜を形成する。更に、図９（ｃ）のように電極上に形成される膜を機械研磨するなどして取り去ることで、電気光学単結晶からなるリッジ構造を形成することができる。これにより、ドライエッチング加工を行うことなくニオブ酸リチウムのリッジ導波路を形成することができる。
【特許文献１】特開２００１−１１６９４３号公報
【特許文献２】特開平１０−１０４７９号公報
【特許文献３】特開平４-３１７５００号公報
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ９０  （１０）  ２００１年  １１月 ｐ.５２７４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、特許文献１の方法でニオブ酸リチウムを加工するためには鉛をドーピングする工程や加工後に過熱により結晶化する工程が必要であり、各工程の製造設備が増加し、工程の複雑化、高コスト化という問題がある。
【００１６】
また、特許文献２の方法では一対の金属膜６の上に形成された電気光学結晶薄膜を選択的に取り去るため、機械研磨工程が必要であり、やはり工程が複雑化し、高コストになるという問題がある。
【００１７】
本発明では上記問題点を鑑見て、スパッタリング法により形成したニオブ酸リチウム薄膜の結晶性の違いを利用し、ウェットエッチングの速度がその結晶性により大きく異なる点に着目してリッジ型導波路を作製し、リッジ型導波路構造の光学素子を簡単に低コストで作製する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明では、基板上に光導波路に対応する開口部分を有する第１の金属膜を形成し、更に電気光学効果を有する材料の薄膜を形成する。次に、前記薄膜の前記第１の金属膜上に形成された部分のみをエッチング溶液によるエッチングで取り除き、前記電気光学効果を有する材料からなるリッジ構造の光導波路を形成する。その後、前記光導波路上に緩衝膜と第２の金属膜を形成して光学素子を製造する。前記電気光学効果を有する材料としてはニオブ酸リチウムを用い、前記電気光学効果を有する材料による薄膜を形成方法としてはスパッタリング法を用いる。前記エッチング液としてはフッ酸溶液を用いる。
【００１９】
これにより簡単な工程でリッジ型導波路を形成することができ、低コスト化できる。具体的にはドーピング装置や熱処理装置、機械研磨装置を用いることなくリッジ型導波路を形成することができる。
【００２０】
前記基板としてサファイア単結晶を用いることが好ましい。
【００２１】
これにより配向したニオブ酸リチウム単結晶を得ることができ、光の閉じ込め効果を強くすることができる。
【００２２】
前記第１の金属膜としてクロム、ニッケル、白金の何れかを用いることが好ましい。
【００２３】
これにより、基板との密着性が良く低抵抗な電極として第１の金属膜を利用することができ、コストを低減することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の光学素子作製方法によれば、金属膜上に形成される多結晶状のニオブ酸リチウムをフッ酸溶液により選択的にウェットエッチングすることでリッジ構造を形成するため、ニオブ酸リチウム単結晶のドライエッチング加工という困難な工程を回避することができ、容易にリッジ構造を形成することができる。また、加工前にニオブ酸リチウムをアモルファス化させる工程や、加工後に加熱処理を施すような工程、また機械研磨工程を増やす必要もない。導波路を作製する際に下地材として用いる金属膜は、電極としても利用できるため、この方法により形成したリッジ型光導波路に緩衝層及び金属膜を付加することで生産性良く光学素子を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
図１（ａ）〜図１（ｃ）は本発明による光学素子の製造工程を示すものである。
【００２７】
まず、図１（ａ）に示すように、サファイアｃ面基板５に第１の金属膜として金属膜６をスパッタリング法や蒸着などの方法で成膜する。続いて、フォトリソグラフィ法により導波路部分に相当する開口を持つレジストパターンを形成する。その後、レジストパターンをマスクとしてエッチングを行い金属膜６にレジストパターンを転写して開口７を作製する。エッチング後に金属膜６上に残ったレジストをレジスト除去液に浸漬するなどして除去し、図１（ａ）のように導波路部分に相当する開口７を持った金属膜６を形成する。
【００２８】
このとき開口７を持つ金属膜６を形成する方法としては、導波路部分（開口７の部分）にレジストパターンを形成した後に蒸着やスパッタリング法により金属膜６を成膜し、レジスト除去液などに浸漬して開口７の金属膜をリフトオフする方法なども考えられる。
【００２９】
なお、金属膜６の代わりに他の物質を導波路部分に相当する開口を持たせて用いることも考えられるが、後にニオブ酸リチウムをスパッタリング法により成膜する際に基板を約５００℃にするため、この温度に耐えられる物質であり、光学素子の他の部分へ不要な不純物を拡散させない物質でなければならない。具体的には、金属膜６としてはクロム、コバルト、ニッケル、白金、タンタル、チタンなどを用いることができる。
【００３０】
また、金属膜６は膜厚が薄すぎると後に成膜を行った際に金属膜６上においてもサファイアｃ面基板５の結晶性が反映してしまい、単結晶のニオブ酸リチウムが形成されてしまう。逆に金属膜６の膜厚が厚すぎると金属膜６が配向していないため金属膜６の側壁において結晶性の悪いニオブ酸リチウムが形成されてしまい、光の閉じ込め効果が弱くなる。そのため、金属膜６の膜厚は１０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲としなければならない。
【００３１】
なお、金属膜６に形成する開口７の幅によって後に形成されるリッジ導波路の幅が決まるが、波長１．５μｍ帯でシングルモードの導波路を得るためには、開口７の幅は０．３〜５．０μｍの範囲内でなければならない。
【００３２】
続いて、図１（ｂ）のように開口７を持つ金属膜６の上からニオブ酸リチウム薄膜を基板温度約５００℃として高周波スパッタリング法により形成する。
【００３３】
この際、サファイアｃ面基板５が露出した開口７と金属膜６上ではそれぞれ結晶性の異なるニオブ酸リチウム薄膜が形成される。開口７に形成されるニオブ酸リチウム薄膜は、サファイアｃ面基板５の結晶の配向を反映するためｃ軸配向した単結晶となる。金属膜６は配向を持たないため金属膜６上では配向せず多結晶状のニオブ酸リチウム９が形成される。
【００３４】
なお、波長１．５μｍ帯においてシングルモードの導波路を得るためにはニオブ酸リチウム薄膜の膜厚を０．５〜１．５μｍとしなければならない。
【００３５】
サファイアｃ面基板５上と金属膜６上に形成されたニオブ酸リチウム薄膜の結晶性をＸＲＤにより比較した。結果を図３に示す。分析を行った薄膜は基板温度を５００℃としてスパッタリング法により成膜したものであり、金属膜としてはタンタルを用いた。図３ではサファイアｃ面基板上のニオブ酸リチウム薄膜において、（０００６）面で鋭いピークが得られている。このことから、サファイアｃ面基板上ではc軸配向したニオブ酸リチウム単結晶が形成されていると考えられる。これに対し、金属膜上のニオブ酸リチウム薄膜では（０００６）面でのピークで線幅が広くなっており、またピーク位置もずれている。これより、金属膜上ではニオブ酸リチウムは多結晶状の膜となっていると考えられる。
【００３６】
次に、図１（ｃ）のように形成される膜のうち金属膜６上にできる多結晶状のニオブ酸リチウム９をエッチング溶液につけることで除去する。
【００３７】
この際、エッチング溶液は多結晶状のニオブ酸リチウム９のみを選択的に溶解するようなものを用いる必要がある。そのため、ニオブ酸リチウム単結晶８と多結晶状のニオブ酸リチウム９の各種エッチング溶液に対するエッチングレートを実験的に調査探索し、エッチングに用いるのに適した溶液を発見した。試みたエッチング溶液としてはフッ酸（４６％）、硫酸(９６％)、過酸化水素水（４０％）、塩酸(36%)、水酸化ナトリウム水溶液(0.01mol/l)を用いた。温度は室温とし、フッ酸溶液以外のエッチングレートはエッチング時間を３０分とし、フッ酸溶液に対する多結晶化ニオブ酸リチウム、単結晶ニオブ酸リチウム、タンタルのエッチングレートはエッチング時間をそれぞれ５分、３０分、1分として測定した。膜厚測定は触針式段差測定器を用いた。実験結果を表１に示す。
【００３８】
【表１】
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表1より、フッ酸溶液でのみ多結晶状のニオブ酸リチウム９のエッチングが確認できた。また、ニオブ酸リチウム単結晶８はエッチングが確認できず、エッチングレートは測定限界を下回った。これより、フッ酸溶液を用いれば多結晶状のニオブ酸リチウム９のみを選択的にエッチングできることがわかった。
【００３９】
フッ酸溶液以外の溶液においてはニオブ酸リチウム単結晶８および多結晶状のニオブ酸リチウム９のエッチングは確認されず、エッチングレートは測定限界を下回った。そのため、これらの溶液は本願の製造方法に適用不可能であった。
【００４０】
なお、金属膜６は導波路作製時に下地材として用いるだけでなく下部電極としても用いることができる。そのため、金属膜６にはフッ酸溶液を用いて金属膜６上に形成される多結晶状のニオブ酸リチウム９をエッチングする際に、フッ酸溶液に対して溶解しない金属を選ぶ方が好ましい。金属膜６にクロム、ニッケル、白金などの金属を用いると金属膜６は溶解せずに残る。
【００４１】
最後に、図２のようにリッジ構造４上に緩衝層１０を形成し、更に第２の金属膜として上部電極用金属膜１１を形成する。作製方法としては緩衝層１０、上部電極用金属膜１１を成膜した後、フォトリソグラフィ法によりレジストパターンを形成しエッチングする方法や、フォトリソグラフィ法により作製したレジストマスクの上から緩衝層１０、上部電極用金属膜１１を成膜しリフトオフする方法などが考えられる。
【００４２】
緩衝層１０の材料としてはＳｉＯ2などのニオブ酸リチウムよりも十分に屈折率の小さい材料を用いる。リッジ導波路上に緩衝層１０を介さずに直接上部電極用金属膜１１を形成すると、上部電極用金属膜１１により屈折率差による光の閉じ込め構造が阻害され導波路の伝搬損失が大きくなる。緩衝層１０を介することで光の閉じ込めを阻害することなく電極を作製することができる。緩衝層１０は薄すぎると緩衝層としての役割を果たさず、厚すぎると電極から印加される電界と導波路を伝搬する光との相互作用が小さくなってしまう。そのため０．１ｎｍ〜１μｍ程度の範囲で作製するのが適当である。
【００４３】
上部電極用金属膜１１には必ずしも下部電極用の金属膜６と同じ材料を用いる必要はない。
【００４４】
なお、電圧印加時に電極間に発生する電界とリッジ導波路を導波する光とを効率的に作用させるためには、上部電極の幅はリッジ構造４の幅の３０〜９５％程度とすればよい。
【００４５】
以上の工程によりリッジ型導波路を有する光学素子を簡便に作製できる。
【００４６】
なお、ニオブ酸リチウムの成膜方法としてはスパッタリング法以外に、液相エピタキシャル成長法、ゾルーゲル法、レーザーアブレーション法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法等による方法も基板温度等の条件は異なるが適用可能である。
【００４７】
なお、金属膜６を成膜する際に基板を加熱せずに低温で成膜することで金属膜の結晶性を故意に悪くすると、金属膜６上でニオブ酸リチウムがより配向しにくくなり、後に多結晶状のニオブ酸リチウム９が除去しやすくなることも考えられる。
【実施例１】
【００４８】
本発明のより具体的な実施の形態について以下で説明する。
【００４９】
まず、サファイアｃ面基板５を洗浄後、サファイアｃ面基板５上にフォトレジストをスピンコート法により１μｍ塗布し、フォトリソグラフィ法により導波路に対応する部分のフォトレジストを除去し、レジストパターンを形成した。その後、前記レジストパターンの上からクロムをスパッタリング法により０．１μｍ成膜した。この基板をレジスト除去剤に浸けて、導波路に対応するラインパターン上のクロムをリフトオフした。これにより導波路部分に対応するライン開口部７を持つ金属膜６を形成した。開口７の幅は３μｍとした。
【００５０】
続いて、クロムによる金属膜６を形成したサファイアｃ面基板５上にニオブ酸リチウムを高周波スパッタリング法により０.５μｍ成膜した。成膜時の基板温度は５００℃とし、Ａｒ／Ｏ2雰囲気下（Ａｒ：Ｏ2＝１：１）で、圧力は２．０×１０-2Ｔｏｒｒ、パワーは２００Ｗ、ターゲットサイズは３インチのものを用いた。成膜レートは３０ｎｍ／ｈであった。この時、サファイアｃ面基板５上にはニオブ酸リチウム単結晶８が形成され、金属膜６上には多結晶状のニオブ酸リチウム９が形成された。
【００５１】
続いて、この基板を室温のフッ酸溶液（４６％）に３０分浸漬して多結晶状のニオブ酸リチウム９を除去した。これにより、ニオブ酸リチウム単結晶８および金属膜６はエッチングされずに、多結晶状のニオブ酸リチウム９のみを除去できた。
【００５２】
多結晶状のニオブ酸リチウム９の除去を確認するためにＸＲＤ分析を行った。図５および図６にフッ酸溶液浸漬前と浸漬後のサンプルにおける金属膜上のニオブ酸リチウムのＸＲＤ分析した結果を示す。フッ酸溶液浸漬前のものは、ニオブ酸リチウムのピーク強度のサファイアのピーク強度に対する比が０．７７であった。対して、エッチング後のものでは０．０９であった。この結果から金属膜６上の多結晶状のニオブ酸リチウム９が除去できているのが確認できた。
【００５３】
次に、リッジ構造４上に上部電極１１を形成した。まずスピンコート法によりフォトレジストを１μｍ塗布した。そして、リッジ構造上に電極に対応する部分の開口が得られるようにフォトリソグラフィ法で電極パターンを転写しレジストマスクを形成した。その後、緩衝層１０としてＳｉＯ2を高周波スパッタリング法で０．１μｍ成膜し、更に上部電極１１用金属としてクロムを高周波スパッタリング法で０．１μｍ成膜した。最後にこれをレジスト除去液を用いてリフトオフすることで上部電極１１を形成した。
【００５４】
この際、上部電極１１の幅はリッジ構造４の幅の２μｍとした。
【００５５】
以上の工程により、ニオブ酸リチウムリッジ型光導波路を有する光学素子を作製した。ドーピング装置や熱処理装置、機械研磨装置は不要であり、リソグラフィ装置、スパッタリング装置、溶液エッチング装置のみで光学素子を作製することができた。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明による光学素子の作製工程は、光変調素子、光スイッチング素子などの光素子の作製に有用であり、中でもニオブ酸リチウムのリッジ型導波路を有する光導波路素子の作製に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明による光学素子のリッジ型導波路の製造工程を示す図
【図２】本発明による光学素子を示す図
【図３】サファイアｃ面基板上および金属膜上のニオブ酸リチウム薄膜のＸＲＤ分析結果を示すグラフ
【図４】多結晶状の膜除去前の金属膜上でのＸＲＤ分析結果を示すグラフ
【図５】多結晶状の膜除去後の金属膜上でのＸＲＤ分析結果を示すグラフ
【図６】埋め込み型導波路を示す図
【図７】リッジ型導波路を示す図
【図８】従来技術によるリッジ型導波路の作製工程の一例を示す図
【図９】特許文献２によるリッジ導波路の作製工程を示す図
【符号の説明】
【００５８】
１：基板
２：ニオブ酸リチウム薄膜
３：レジストマスク
４：リッジ構造
５：サファイアｃ面基板
６：金属膜
７：開口部
８：ニオブ酸リチウム単結晶
９：多結晶状のニオブ酸リチウム
１０：緩衝層
１１：上部電極用金属膜
２１：埋め込み導波路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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